基于深度学习的技术改善城市河道污染治理问题

刘汤琪 张可欣 周钰蓉 魏宏杰

摘要：河流是城市重要的自然资源，为城市发展提供了良好的基础，但随着城市的不断扩张，城市人口不断增加，城市河流的污染也日益加剧，国民经济高速发展下水资源的过度开发以及城市化深入发展所带来的负面作用开始凸显，水污染范围不断扩大，工业污水的超标排放以及底层淤泥的堆积等多种因素共同引起的河道污染，不只严重影响城市生态文明的建设和城市居民的日常生活，而且阻滞城市河道发挥防洪排水、维持水生态系统稳定等综合功能。

关键词：城市河道;污染治理;深度学习

1.引言

近年来，国民经济高速发展下水资源的过度开发以及城市化深入发展所带来的负面作用开始凸显，水污染范围不断扩大，工业污水的超标排放以及底层淤泥的堆积等多种因素共同引起的河道污染，不只严重影响城市生态文明的建设和城市居民的日常生活，而且阻滞城市河道发挥防洪排水、维持水生态系统稳定等综合功能。以南京市为例，通过对城市河道的污染现状以及成因剖析，提出针对性的改善措施，探究科学、高效治理城市河道污染问题的对策。

2.南京河道治理现状

2.1城市河道污染治理的必要性

我国河湖众多，水系发达，湖泊水域环境广阔，水生态环境呈现多样化，为了促进经济社会的可持续发展和保障人民群众的生命财产安全，在有效利用水资源的同时应当制定充分的保护措施以及防治水污染的对策。在党中央“建设美丽中国”的政策号召下，城市河道的环境问题已经成为社会公众关注的问题焦点，是城市生态文明建设的重要内容，解决城市河道污染的预防和治理难题是适应新形势下保障生态安全的积极影响应和迫切需要。

城市河道污染治理应当按照统筹规划、因地制宜的原则进行，首先会同发展改革、交通运输等其他部门，确定防洪、水资源配置和保护的总体安排;其次，结合地域性城市河道特征以及污染成因，制定适当的河道清淤疏浚、水生植物清理等方案，促进改善城市河道环境生态，提高城市河道的自净化能力。通过对水资源保护措施以及城市河道治理的强化，维护城市河道的健康生命，提升河道的生态功能，从而为城市经济的可持续发展提供环境保障。

2.2城市河道污染的现状及成因

2.2.1河道污染物质增多

随着城市化进程不断扩大，人口规模的持续增加，排放到城市河道的污染物质进一步增多，一方面，持续扩张的市域规划不断挤压城市河流的空间，另一方面污染物质沿着地表径流进入各河道分支，不仅加剧了水质的污染与恶化，同时削弱了河道的水体流动能力，从而影响河道的自净化能力。此外，由于城市雨污分流系统的不完善，河道周边的污染物以及未经处理过的污水会直接进入河道，导致黑臭水体的形成、大量淤泥的堆积堵塞河道，破坏城市的水生态环境。

2.2.2河道水质管理制度缺失

工业废水的排放是城市河道污染的重要原因之一，许多城市在推进工业开发的进程中，忽略了对工业企业的排污设施建设的管理和监督，进而导致大量未达国家排污标准的废水污染城市河道。而在这背后的是城市水环境监测系统的不完善、水质监测标准的单一以及先进仪器和设备的缺乏，使得对城市河道水质的监管工作难以执行，间接放纵了工厂肆意排放污水的违法行为，加重了城市河道的自净化负担。

3.南京城市河道治理面临的问题

目前城市河道的治理在党中央、政府部门、社会各方人士的共同努力下取得了重大进步。在河长制、中华人民共和国河道管理条例等制度、政策与法律法规的保障下，城市河道中的黑臭水体得到了极大的减少，河水重新变得清澈，城市排污也不再通过城市河道，而是通过组建大量的规划合理的城市地下管网，经过处理后再排出。这些措施极大地改善了城市河道的污染程度，提高了人民生活的幸福指数。但城市河道污染的治理仍存在许多不足，如下所示：

3.1河长制的治理工作不够深入

有相当一部分河长治理工作流于表面、不够深入，他们错误的把城市河道污染治理的重点放在了城市河道的景观上，忽视了城市河道水体本身。出现了过分注重城市河道两岸的风景线在河里放塑料假花草;放一些不适合在该城市河道环境的生长的植物;水体净化植物坏死后不能及时查找原因并更换等工作问题。

3.2污染治理新理论新方法未能有效落实

很多专业人士在城市河道污染治理这个问题上都用他们专业知识从不同角度呈现出了独特而有创造力的解决方法 ，如利用城市河道底的污泥制作水泥的新兴技术、生物栅和人工水草净水技术、生物膜技术、微生物强化技术、城市黑臭河道底泥内源污染控制的固化与稳定化技术、数字管网技术、城市河道水生态修复技术以及海绵城市新城市下的河道运用治理理念等。但遗憾的是，由于种种原因，这些新兴和理念的技术未能落实到实际的城市河道治理的工作中。

3.3河道治理理念不够全面和先进

传统的城市河道治理技术，过分注重河道的防洪蓄洪能力，为减少水土流失 一味地把城市河道两岸堤坝混凝土化，但是这一举措极大的降低了城市河道的水体自我净化能力，不利于城市河道污染治理。新兴的生态护岸各项技术指标都可以投入现实使用，没有任何的技术缺陷，却未能投入使用。如能使用即可兼顾水体自净与水土流失问题，同时还能有效引导和净化城市水体、补充地下水，加强防洪蓄洪能力，有利于海绵城市的建设。

3.4缺乏高效及时的动态监管

现在的水体治理的相关监督仅依靠河长有限的人力与人民群众的举报监督，以及部分水体监测站，这些天都方式都太过依赖人力或者太过固定，未能有效地利用新兴的电子信息技术 ，缺乏高效的，动态的电子监管。

3.5针对河道现状的分析

本項目依托于环境学和大数据专业。一方面，我们将通过实地考察，问卷调查以及搜集资料的方式来采集城市河道历年的水质、水量、垃圾排放情况以及周遭的设施排放等数据;另一方面，我们将通过matlab等深度学习机器箱，对数据进行分析处理，并进一步对城市河道黑臭水体情况进行预测，为未来的水资源审计提供依据，以便更好地解决城市河道及黑臭水体整治不深入的问题。

对2017年-2020年南京废水排放数据进行统计，如图所示：

通过SVM预测接下来几年，废水排放量会呈现出波动减少的趋势。

4.南京城市河道治理的解决方案

4.1城市河道修复问题

城市河道的修复首先要考虑到河流本身的天然生态体系情况，因为各种各样不同的生命依托于河流以及河流周围的土壤存在，但是由于之前城市人类活动的需求不断的扩大，为了满足日益增长的生活需要，从而不得已对河流的周边环境进行了人为的一系列的相应的改造，造成河流之外的生命差异性的不断增大，使得其他生命体的生存空间在不断减少以至于消失。因此，我们必须要在尊重河道治理的自然规律的基础上进行河道污染治理和修复，在不改变河道本身的基础上，合理利用河道的资源，来有效降低河道污染和自然灾害发生的可能性，保证其他生命体的生存，维持河道水环境的稳定。

4.2城市河道历史文化问题

河流往往是城市文化的载体，所以在对河道进行恢复时，需要尊重城市的历史文化进程。恢复工程开始之前，先要做好对城市的文化景观资料的收集工作，结合保留城市历史文化的需要，完成对河道的复原工作，以保证城市的历史文化遗产。

4.3因地制宜

河道河流的调节会受到地理因素的影响，包括水文环境不同、建设条件不同、处理要求问题，导致生态环境的复原措施会有很大不同，因此河道的复原工作必须尊重当地的自然条件。首先，需要了解和到自然地理的特点，结合当前的地理分布情况，以及当地自然环境变迁，分析地区的自然景观和生态特点，在完成对植物生态系统恢复的同时，也保证自然景观符合人们的观赏需要，例如对于植物就要充分考虑地方特色，满足生态系统的调节要求。其次，河流周围的城市会有属于自己的区域人文特征，比如周围会有一些历史悠久的古建筑，都是重要的文化遗产。因此在河道修复时，需要恰当应用这些文化遗产，做好对河道的设计工作，保留城市的文化特征，比如加固河道沿岸的历史性建筑，完善构建当地的人文特征。

4.4河道的生态性问题

河道修复工作需要坚生态性原则，充分应用生态学理论来建造土墙，确保河流神态的多元化。比如恢复工作中需要严格控制植物的选择，减少河道的水土流失问题，还可以通过选择合适的植物，来提升河道的精华能力，以及保证植物的存活概率。河道生态系统的分支、防护林等等都要和城市的道路相连通，保证和城市的建筑、城市郊区构成一个完整生态体系区域，来保证河道的生态的平衡。同时，要尽可能仿真自然栖息地，保护生态景观，让河道的生物能够有良好的生活质量。对于河道两侧的行车道路，应该组好滨水绿化带的建设，通过沿着河道绿化带、河流两侧的植被控制周围的溶解物质，降低河道的污染问题。

5.结论

综上所述，随着城市经济的不断增长，城市河道对于城市发展的重要性不言而喻，城市用水也成为城市发展的主要矛盾之一。相关部门应采取科学合理的措施治理河道水环境，根据自身发展状况，坚持可持续发展理念，改善河道水环境生态质量，确保水环境生态平衡，提高水环境自我净化能力，让城市河道在城市发展建设过程中充分发挥其作用和价值。

作者简介：

刘汤琪（2000-），女，汉族，江苏南京人，南京审计大学本科在读，数据科学与大数据技术方向。

基金项目：

2020年江苏省大学生实践创新训练项目“基于深度学习的技术改善城市河道污染治理问题”（202011287074Y）。

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